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        脈沖壓縮光柵 - 筱曉光子產品介紹⑨ 2021-08-02

        一、進入超強超短激光和強場激光物理


        超強超短激光(峰值功率>1TW(1TW=1012W),脈沖寬度<100fs)的出現與迅猛發展,為人類提供了前所未有的極端物理條件與全新實驗手段。自然界中只有在恒星內部或是黑洞邊緣才能找到的高能量密度,甚至超高能量密度的極端條件已能在實驗室內創造。

        目前實驗室內臺式激光系統已經可產生高重復頻率的超短脈沖(從100fs到10fs級)且超高功率(從100TW到1000TW級)的激光輸出。目前,超強超短激光經聚焦的最高光強已達到1022~23W/cm2量級。這么高的光強到底是什么概念呢?

        光強1021W/cm2約等于地球接收到的太陽總輻射聚焦到頭發絲粗細的尺度。自然界中已知的最高光強是達到1020W/cm2量級的宇宙伽瑪射線暴的強度,所以超強超短激光被認為是已知的最亮光源之一。

        強超短激光可以驅動產生超快高性能粒子束,為高能粒子加速器的發展帶來重要補充。與高能粒子加速器等相比,超強超短激光驅動產生的超快電子、質子和重離子粒子束時間尺度短(可達到數飛秒),峰值流強大,這是傳統加速器難以提供的,為高能粒子束的應用提供了獨特優勢,使超快瞬態檢測等成為可能。

        與傳統的基于反應堆的中子源相比,超強超短激光驅動產生的超快中子束,不僅具有脈沖寬度可以達到皮秒量級的優點,而且具有安全可控等優勢,為特殊材料的動力學檢測提供了獨一無二的技術手段。

        超強超短激光裝置與現有的高能粒子加速器和反應堆等大科學裝置產生的高流強粒子束互補,不僅可為用戶提供新的研究條件,也可催生出新研究方向與新用戶。

        目前,超強超短激光正處于取得重大科學技術突破和開拓重大應用的關鍵階段,未來幾年激光的聚焦強度可能達到甚至突破1023W/cm2。此外,這種超強光場在時間范疇又是極端超快的。

        超強超短激光的中心波長一般是在近紅外波段,其脈沖寬度已可壓縮至數飛秒,與激光場的振蕩周期(如中心波長為800 nm的激光脈沖其光場振蕩周期為2.67 fs)可以比擬;而利用超強超短激光驅動產生的極紫外乃至X射線波段相干輻射,其脈沖寬度已經突破飛秒量級進入阿秒(as,1as=10-18s)量級的新范疇,未來有可能進入到仄秒(zs,1zs =10-21s)量級。這種極端超快時間尺度的強光場的產生和應用,開拓與發展了阿秒科學全新領域(圖1)。



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        圖1 超強超短激光的發展歷程與科學新領域的開拓



        超強超短激光的發展與應用是國際激光科技的最新前沿與競爭重點領域,正如《Science》雜志專欄文章指出“這項工作將影響從聚變到天體物理的每一項研究”。


        光強1021W/cm2能夠產生的極端條件主要包括:

        (1)超強電場:~1012V/cm,氫原子庫侖場強的170倍;

        (2)超高磁場:~105T的超強范圍;

        (3)超高能量密度:達到3×1010J/cm3(相當于20t/m3 TNT爆炸釋放的能量);

        (4)巨大光壓:接近1017Pa量級;

        (5)相對論效應主導:電子動能10MeV,遠超電子靜能(0.5MeV)。




        此外,超強超短激光可以驅動產生超快、多光譜、高亮度光源(圖2),波長覆蓋從THz、紅外、紫外、X射線到γ射線波段,具有極端超快的脈沖寬度。盡管光子平均通量低,但峰值亮度在某些波段上遠超過其他大型光源,而在某些波段又是相干的,與同步輻射光源等可以提供的高通量光子束線等相比,各自既有不可替代性,又優勢互補。


        在工業加工領域,皮秒或飛秒短脈沖激光由于具有極高的峰值功率,可瞬間氣化或熔化材料,達到傳統加工方式無法達到的精密度和質量,已成為當前激光加工業的發展趨勢,被廣泛應用于微電子、半導體制造、顯示、消費類電子、醫療精密設備、太陽能制造等行業,并將開辟精細加工的新市場。


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        圖2 超強超短激光驅動產生超快、多光譜、高亮度光源




        二、超強激光實現的重要手段-啁啾脈沖放大技術(CPA)


        1960年,美國休斯飛機公司的科學家梅曼(T.Maiman)博士研制出世界上第一臺紅寶石激光器。1962年,調Q激光技術誕生,它的發明使得激光脈沖進入納秒(ns,1ns=10-9s)量級。1964年,鎖模激光技術被發明。鎖模激光技術的提出和發展使得脈沖寬度進一步壓縮至皮秒(ps,1ps=10-12s)甚至飛秒(fs,1fs=10-15s)量級。長期以來由于沒有新技術的出現,導致激光能量增長停滯不前,直接限制了激光峰值功率乃至聚焦強度的提升。

        1985年,美國的科學家D. Strickland和G.Mourou在《Optics Communications》雜志上,發表了提出啁啾脈沖放大(chirped pulse amplification,CPA)技術概念的文章。這是高峰值功率脈沖激光技術發展的一個重要里程碑,開辟了超強超短激光和強場激光物理的新研究方向。

        該技術的基本原理是:首先利用色散將飛秒激光脈沖通過展寬器在時間上進行展寬,使脈沖寬度達到幾百皮秒甚至納秒量級;展寬后的脈沖在經過激光增益介質放大后,充分提取了激光介質的儲能;最后經過與展寬器具有相反色散的壓縮器將脈沖寬度壓縮至接近最初的脈寬值(圖1)。


        啁啾脈沖放大技術可以保證放大前后脈沖的寬度基本一致,而脈沖的能量卻可以提高若干數量級,從而大幅度地提升了激光脈沖的峰值功率。它解決了高峰值功率條件下,由于介質的非線性效應造成的光學元件損傷、脈沖光斑質量下降等問題,使超短激光脈沖獲得了較為理想的放大效果。

        利用CPA技術已經可以獲得峰值功率達到拍瓦乃至10拍瓦量級的激光脈沖放大輸出。目前,全世界的超強超短激光系統都是基于CPA技術而建立的。

        發明啁啾脈沖放大技術使法國科學家Gérard Mourou和加拿大科學家Donna Strickland 獲得了2018年諾貝爾物理學獎,獲獎原因正是他們發明了產生超強超短光學脈沖的方法,且他們的發明革命性地改變了激光物理,特別是促進了該技術在更多新研究領域的應用。




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        圖3 超強超短激光:啁啾脈沖放大



        三、啁啾脈沖放大技術(CPA)的核心部件——脈沖壓縮光柵




        脈沖壓縮光柵是啁啾脈沖放大技術(CPA)的核心部件,處于強激光系統能量放大的最末端,脈沖壓縮光柵的通光效率和損傷閾值的提高都對強激光束的能量、峰值功率的提升起到極為關鍵的作用。

        脈沖壓縮器的結構由兩個平行放置的光柵及一個反射鏡構成,結構如圖3淺紅色橢圓所示。反射式脈沖壓縮器的原理為:長波部分因為大衍射角,在壓縮器中所走的光程大于短波部分,這樣脈沖的藍光區便跑到紅光區前面,脈沖的前后沿自然會被拉伸開來。





        四、筱曉光子提供的脈沖壓縮光柵產品資料



        公司提供的脈沖壓縮光柵涵蓋700-3000nm的光譜范圍,產品具有高衍射效率(90%以上)、高損傷閾值、寬的光譜帶寬、低衍射波像差、大尺寸的特點,產品見圖4。



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        圖4 脈沖壓縮光柵



        圖5列舉了三種不同溝槽密度的脈沖壓縮光柵的光譜帶寬。



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        圖5 三種不同溝槽密度的脈沖壓縮光柵的光譜帶寬(覆蓋700-3000nm)




        標準尺寸:

        25×25×6mm,30×30×6mm,30×64×10mm,30×110×16mm,50×50×10mm,50×110×16mm,58×58×10mm,64×64×10mm,90×90×16mm,110×110×16mm,100×140×20mm,120×140×20mm。


        材料:λ>750nm的標準金涂層(Au)。

        標準基材:光學冕玻璃K4A或N-ZK7。

        可選基材:零熱膨脹玻璃陶瓷,表中標注(Z),(Lw1,Zerodur或同等材料)。


        公司提供的脈沖壓縮光柵有近300個規格,詳情通過下方網址進行查看。http://www.ljdk.net/?a=cp3&id=365










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